多级AO+人工湿地组合工艺处理生活污水的研究

2022-09-01张国珍王宏伟

兰州交通大学学报 2022年4期

马凯，张国珍*，王宏伟，赵凯

（1.兰州交通大学环境与市政工程学院，兰州 730070；2.兰州交通大学甘肃省黄河水环境重点实验室，兰州 730070）

近年来随着水资源匮乏，地表水和地下水水质的不断恶化，地表水中N、P含量超标，传统的污水处理工艺，比如单靠氧化沟、A/O工艺、A2O工艺、CASS工艺等的出水已经达不到水质的排放标准［1］.朱越等［2］采用SBR技术处理城镇生活污水，研究发现在SBR反应器中投加20μL/L的复合混凝剂时，出水稳定性低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A标准限值，但混凝剂的投加势必会导致成本的上升；刘兵等［3］研究氧化沟技术处理城镇生活污水，研究发现单靠氧化沟技术很难稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，张明珍等［4］研究发现人工湿地技术在生活污水处理方面有着去除效率高、出水水质稳定等优势，但主要受限于人工湿地堵塞问题.

多级AO工艺是在传统的缺氧/好氧工艺上增加了多个串联的缺氧池和好氧池［5］，其优点就在于处理效果很稳定，微生物能够充分利用污水中的有机物质，结构相对简单，目前应用市场很广泛，在许多国家中都有所使用［6］.影响多级AO工艺污染物去除效果的因素众多，但其主要影响因素就是低的C/N，以及污泥回流比的大小［7］.为解决碳源不足的问题，出现了分段进水的多级AO工艺，在不同点进水，以确保多级AO每一级反应器内碳源充足.但依然存在处理效果不佳的问题，为保证出水稳定达标，在分段进水多级AO工艺后串联人工湿地处理技术.人工湿地是当前污水深度处理的主流工艺之一，与一些传统的工艺相比较，有着结构简单，投资运行费用低廉，处理效果好等优点，在各个国家作为污水生态处理技术而被大量使用［8-9］.并且在污水深度处理、控制水体污染及治理和生态修复的过程中人工湿地都被大量的使用［10-13］.填料作为人工湿地的重要组成部分，在污染物的去除上起着重要作用，目前人工湿地的填料多以页岩、石英砂、无烟煤、沸石、陶粒等为主［14］，基质填料不仅为植物根系生物膜提供生长，而且污染物质也可以通过填料本身的物理化学吸附作用而被去除，尤其是对于水中磷的去除［15］.废砖块作为建筑垃圾的主体，不仅影响了环境，而且阻碍了城市化的进程［16］.绝大多数建筑砖块是以黄土、页岩、煤矸石和粉煤灰等为原料烧制而成，其具有疏松多孔的结构和较大比表面积，作为湿地填料，具有一定优势.

因此本文结合现有污水处理工艺，以处理工艺低成本、持久稳定运行为前提，实现出水达到更高的排放标准的目的，以多级AO和陶粒、废砖块为湿地填料的组合工艺进行污水处理，采用扫描电镜对废砖块填料进行表面形貌及生物膜生长情况的表征，研究该组合工艺稳定运行时对污水中CODcr、NH+4-N、TN、TP的去除效果，以期为组合工艺在实际生活污水处理及污水厂提标改造方面提供理论依据与技术支撑.

1 实验装置设计

1.1 实验装置

实验装置由多级AO系统和人工湿地系统串联组成，由PVC板加工制成，如图1所示，多级AO出水进入二沉池沉淀后，在进入水箱储存，水箱另一端连接至复合垂直流人工湿地进水管，中间设有流量控制开关.

图1 多级AO人工湿地组合工艺图Fig.1 Multi-level AO and constructed wetland series device diagram

1.1.1 多级AO系统

多级AO尺寸为（长×宽×高）：105 cm×20 cm×40 cm，装置总的有效容积为67.2 L，形成了三级反应器，第一级反应器包含厌氧、缺氧、好氧三段，其中第一级厌氧段尺寸（长×宽×高）为15 cm×20 cm×40 cm，缺氧段尺寸（长×宽×高）为10 cm×20 cm×40 cm，好氧段尺寸（长×宽×高）为20 cm×20 cm×40 cm，第二和第三级只包含缺氧段与好氧段，缺氧段尺寸（长×宽×高）均为10 cm×20 cm×40 cm，好氧段尺寸（长×宽×高）均为20 cm×20 cm×40 cm，在A0、A1、A2、A3室均设有进水管，达到分段进水的目的，为达到混合均匀、曝气充氧、排泥作用，装置内设有搅拌器、曝气系统及排泥系统.

1.1.2 人工湿地系统

由复合垂直流和水平流湿地共同组成人工湿地系统，其中复合垂直流湿地系统整体尺寸（长×宽×高）为90 cm×40 cm×85 cm，中间由隔板分为大小相同的下行池和上行池，底部有宽5 cm的空隙，单池尺寸为（长×宽×高）45 cm×40 cm×85 cm，填充基质为废砖块，基质填充高度为下行池700 mm，上行池650 mm，设有3层基质填料，每层高度为20 cm，自下而上粒径填料粒径尺寸为10～20 mm、5～10 mm、2～5 mm，垂直流湿地系统表面混植芦苇和香蒲，密度均为78株/m2.水平流人工湿地系统尺寸为85 cm×40 cm×60 cm，填充基质为陶粒与废砖块，分三层填充，自下而上分别为20 cm厚的废砖块填料，粒径为10～20 mm，20 cm厚陶粒填料，粒径为5～10 mm，最上层为10 cm厚的陶粒填料，粒径为2～5 mm，水平流湿地栽种的植物与垂直流湿地植物相同，植株密度为60株/m2.

1.2 实验水质

实验用水为兰州交通大学家属区生活污水，原水水质如表1所列.

表1 原水水质Tab.1 Raw water quality

1.3 装置运行参数

组合工艺于2020年8月8日开始运行，控制多级AO工艺进水流量分配比（A0、A1、A2、A3）：50%：30%：10%：10%，控制水力停留时间、污泥回流比及人工湿地水力负荷分别为8 h、60%与0.15 m/d.

1.4 水样检测

装置的运行方式为连续进水，对装置进出水、多级AO各隔室，人工湿地各个取样口每2天取样1次，检测指标包括pH、溶解氧（DO）、CODcr、NH+4-N、TN、TP，水样测定采用《水和废水监测分析方法》［17］中所规定的检测方法，如表2所列.

表2 水质分析指标、方法及仪器Tab.2 Methods and instruments for water quality analysis

1.5 废砖块表面形貌分析

使用扫描电子显微镜（JSM-6701F型）对人工湿地废砖块填料表面拍照分析，如图2所示.图2（a）为废砖块没有生物膜生长时50μm下的照片，废砖块具有粗糙的表面，明显的内部孔道以及较大的比表面积，图2（b）为经过1个月挂膜成功后，废砖块10μm下的照片，可以看到表面有大量生物膜存在.

图2 废砖块粉末扫描电镜图Fig.2 Scanning electron micrograph of waste brick powder

2 结果与讨论

2.1 CODcr的去除效果

图3为多级AO人工湿地组合工艺内CODcr的去除效果图，原水CODcr浓度为267.79 mg/L，组合工艺出水CODcr浓度为7.53 mg/L，总去除率为97.18%.多级AO反应器各隔室内CODcr浓度分别为133.81、135.46、70.08、60.21、47.29、57.33和51.66 mg/L，去除率分别为50.03%、49.42%、73.83%、77.52%、82.34%、78.59%和80.71%，除A1反应器外其他各隔室对有机物都具有一定去除效果，分析认为在好氧隔室（O1、O2、O3）内有机物的去除主要靠微生物降解以及细胞合成作用，在缺氧及厌氧隔室（A0、A1、A2、A3）有机物主要通过异养菌的代谢去除，这些异养菌包括聚磷菌、反硝化菌等［18］.由于流量分配及回流作用，进入A1隔室后的CODcr浓度大幅下降（NH+4-N、TN、TP浓度也具有同样现象）.就多级AO反应器而言，有机物大部分是在第一级反应器中被去除的，分析原因可能是反应器第一级大量异养微生物的作用，进水中提供了大量的有机物质，这些异养微生物充分利用了有机物质，大量有机物被去除［19］.

图3 组合工艺CODcr的去除效果Fig.3 Removal effect of CODcr by combined process

由图3可得，湿地系统对于污水中CODcr具有很好的去除效果，人工湿地各取样点CODcr浓度分别为49.19、41.59、34.62、31.61、30.1、30.1、22.57、16.56、16.55、12.04和7.53 mg/L，对应去除率分别为15.45%、29.62%、35.74%、38.81%、38.81%、54.12%、66.33%、66.32%、75.52%和84.69%，出水CODcr浓度小于GB 3838-2002《地表水环境质量标准》中Ⅰ类水体CODcr的限值（15 mg/L），表明该系统在生化处理的基础上有良好的去除效果.人工湿地去除污染物的机理包含了基质填料的吸附，微生物的降解以及植物的吸收利用［20］，图中在湿地系统的前端污染物浓度有一个快速下降的过程，这是因为污水在向下流动的过程中大多数有机物通过粒径较小的基质（废砖块）吸附、植物根系截留和好氧、兼氧及厌氧微生物的降解作用而被高效去除.如图2所示，废砖块多孔结构和较大的比表面积，有大量的生物膜附着，有利于其对污染物吸附反应的进行，能够更好降解有机物质，因此CODcr去除效果很好.

2.2 NH+4-N的去除效果

图4为多级AO人工湿地组合工艺内NH+4-N的去除效果图，原水NH+4-N浓度为55.27 mg/L，组合工艺出水NH+4-N浓度为1.60 mg/L，总去除率为97.11%.多级AO反应器各隔室内NH+4-N浓度分别为26.5、31.3、11.4、21.66、9.98、20.55和10.04 mg/L，去除率分别为52.05%、43.37%、79.84%、60.81%、81.94%、62.82%和81.18%，氨氮的去除发生在多级AO反应器的好氧段.由图4可得NH+4-N浓度呈现波动的趋势，由于分段进水的作用，在A1、A2、A3隔室内NH+4-N浓度升高，同时可得反应器级数越多，NH+4-N的去除效果越好.由图可知NH+4-N在O1、O2与O3隔室的去除率分别为79.81%、81.94%与81.18%，分析认为NH+4-N的去除较好主要因为亚硝化菌、硝化菌大多为专性无机营养型菌［21］，在较高的溶解氧与较低的有机物浓度下发挥作用，结合图3在O1、O2与O3隔室CODcr浓度为47.29 mg/L至70.08 mg/L，有机物含量较低，硝化作用充分.

图4 组合工艺NH+4-N的去除效果Fig.4 Removal effect of NH+4-N by combined process

由图4可得，湿地系统对于污水中NH+4-N具有较好的去除效果，人工湿地各取样点NH+4-N浓度分别为10、5.78、4.59、4.29、3.84、3.99、3.62、3.10、2.20、1.98和1.60 mg/L，对应去除率分别为42.39%、54.28%、57.26%、61.72%、60.23%、63.95%、69.10%、78.08%、80.30%和84.62%，出水低于GB 3838-2002《地表水环境质量标准》中Ⅴ类水质标准（2 mg/L）的限值，可见人工湿地系统在污水生化处理的基础上，具有良好的去除NH+4-N的效果，人工湿地去除NH+4-N的机理依靠了废砖块的物理化学吸附，以及植物同化吸收与系统中微生物的硝化作用来完成，尤其是以微生物的硝化作用为主要去除机制［22］，同样在进水到S1点，NH+4-N的含量有快速下降的过程，表层NH+4-N的去除效果优于中下层，分析认为表层溶解氧含量高且植物根系密集可以传输氧气，NH+4-N的去除是个好氧的过程，同时结合图3进入人工湿地时有机物浓度为49.19 mg/L，有机物浓度较小，因此硝化反应较好，所以表层处理效果优异.

2.3 TN的去除效果

图5为多级AO人工湿地组合工艺内TN的去除效果图，原水TN浓度为68.52 mg/L，组合工艺出水TN浓度为3.47 mg/L，总去除率为94.94%.多级AO反应器各隔室内TN浓度分别为38.40、36.71、35.50、25.62、24.70、15.27和14.87 mg/L，去除率分别为43.96%、46.44%、48.19%、62.64%、63.95%、77.71%和78.30%，出水低于GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准中规定的TN限值，反应器各隔室对TN均有一定去除效果.TN去除主要是在A0、A2、A3隔室中，由于碳源充足，加上回流等作用，因此通过反硝化菌的作用充分利用污水中的有机物质，将硝态氮还原为N2，逸散在大气中从而被去除.此外，微生物也会将含N有机物通过细胞合成作用转化成为自身物质［23］，使TN含量进一步降低，因此在厌氧与好氧段TN含量也有略微下降.

由图5可得，人工湿地各取样点TN浓度分别为14.87、9.12、8.12、7.72、7.62、7.27、6.92、5.47、4.62、3.57和3.47 mg/L，对应去除率分别为38.67%、45.39%、48.08%、48.76%、51.11%、53.46%、63.21%、68.93%、75.99%和76.66%，可见人工湿地系统在污水生化处理的基础上，具有良好的TN去除效果，TN浓度在湿地表层快速下降，中间下降缓慢，在S5至S8后又快速下降，然后基本不变，分析可能是表层植物根系发达，且聚集着大量微生物，N元素在被截留后在植物与微生物的双重作用下被去除［24］，在S5点以后水流进入水平流人工湿地，由于填料、植物及微生物作用再度被去除.

图5 组合工艺TN的去除效果Fig.5 Removal effect of TN by combined process

2.4 TP的去除效果

图6为多级AO人工湿地组合工艺TP的去除效果图，原水TP浓度为4.24 mg/L，组合工艺出水TP浓度为0.094 mg/L，总去除率为97.78%.多级AO反应器各隔室内TP浓度分别为14.05、10.35、3.41、2.91、2.18、1.79和1.21 mg/L，S0、S1出水TP浓度远高于原水浓度，去除率为负值，S2至出水各取样点TP去除率分别为19.58%、31.37%、48.54%、57.78%和71.46%，多级AO反应器内TP去除主要在好氧反应器O1内.聚磷菌在生物除磷过程中其主要作用，在经过厌氧隔室A0内充分释磷后，TP浓度上升，达到14.05 mg/L，然后在缺氧反应器A1内TP浓度下降至10.35 mg/L，在好氧反应器O1内，有机物浓度为70.08 mg/L，有机物充分，聚磷菌过量吸磷，形成多聚磷酸盐作为贮存物质，同时在细胞分裂繁殖过程中利用大量磷合成核酸［25］，因此O1隔室内TP浓度迅速下降，在后面各隔室中TP浓度均有所下降，但是下降缓慢.

由图6可得，人工湿地各取样点TP浓度分别为1.10、0.56、0.50、0.48、0.46、0.39、0.36、0.23、0.16、0.14和0.094 mg/L，对应去除率分别为48.75%、54.35%、56.23%、58.10%、65.58%、67.45%、78.75%、85.48%、87.73%和91.47%，出水TP浓度低于GB 3838-2002的Ⅱ类水质标准限值（0.1 mg/L），可见人工湿地系统具有极好的TP去除效果，TP去除的整体变化同样存在系统前段浓度下降快，中间与后段下降缓慢，在表层TP浓度迅速降低，说明该段距离内废砖块的吸附作用，植物及微生物的转化作用较强，在进水初期，基质有较充足的吸附和沉淀磷的容量［26］.